Проектирование печатной платы микрофона: как сама плата влияет на качество звука.

На печатной плате микрофона все внимание сосредоточено на датчике, но плата вокруг него выполняет как минимум половину работы. Путь прохождения сигнала, расположение заземляющего контакта, способ попадания звука на диафрагму и качество пайки — все это определяет, получите ли вы чистую речь или запись с шипением и глухим звучанием. В этом руководстве плата микрофона рассматривается как акустическая и электрическая система, а не просто посадочное место, и подробно описываются решения, которые отличают тихую, чувствительную конструкцию от шумной. Этот материал применим независимо от того, искали ли вы печатную плату микрофона, плату микрофона, электронную плату микрофона, плату MEMS-микрофона или плату электретного микрофона — все они сводятся к датчику, порту и заземлению.

Далее мы рассмотрим, что проверяют наши инженеры по акустическому монтажу в Highleap Electronics в тот момент, когда микрофон появляется в спецификации материалов — до изготовления платы и до первого цикла пайки оплавлением.

1. Что такое печатная плата микрофона и почему она является частью акустической системы.

Микрофонная печатная плата — это плата, на которой физически размещается микрофонный датчик и которая передает его выходной сигнал — а также любые смещения, фильтрацию и опорное заземление — на кодек, микроконтроллер или усилитель. В современных конструкциях микрофон почти всегда является компонентом поверхностного монтажа, поэтому плата — это не просто носитель: она является частью акустического тракта и электрического опорного сигнала, от которого зависит работа датчика.

Это наиболее очевидно в случае с MEMS-микрофонами с нижним отверстием, где звук вообще не проникает через компонент. Он проникает через отверстие, просверленное в печатной плате непосредственно под датчиком. В этом случае диаметр отверстия на плате, покрытие и герметичность между микрофоном и платой являются акустическими параметрами проектирования, столь же реальными, как и сама диафрагма.

Цепочка обработки сигнала на типичном микрофонном пульте.

Для аналогового микрофона цепь выглядит следующим образом: датчик → цепь смещения → высокоимпедансная дорожка → кодек или вход предусилителя. Для цифрового микрофона датчик объединяет усилитель и аналого-цифровой преобразователь, выдавая тактовый поток PDM или I2S. В любом случае, плата должна защищать небольшой, высокоимпедансный, легко искажаемый сигнал от шумных цифровых и силовых цепей, расположенных на одной печатной плате.

Почему качество звука определяется советом директоров

Две платы, собранные с использованием идентичной микрофонной части, могут звучать совершенно по-разному. Шум от контура заземления, пульсации напряжения питания, влияющие на линию смещения, плохо герметизированный акустический порт или звуковое отверстие неправильного размера — всё это ухудшит качество записи. Датчик устанавливает верхний предел качества; плата определяет, насколько этот предел будет достигнут на самом деле.

2. MEMS против электретов, аналоговые против цифровых: выбор датчика

Первое решение при проектировании любой микрофонной печатной платы — это технология датчика и формат его выходного сигнала. Эти решения влияют на всю компоновку, поэтому их следует принимать на начальном этапе проектирования, а не в конце.

MEMS против электретного конденсатора (ECM)

MEMS -микрофон — это кремниевый микроэлектромеханический датчик в миниатюрном корпусе для поверхностного монтажа со встроенным усилителем. Он пригоден для пайки оплавлением, отличается исключительной стабильностью характеристик, устойчивостью к перепадам температур и компактностью — именно поэтому он широко используется в телефонах, ноутбуках, наушниках и большинстве новых разработок. Электретный конденсаторный микрофон (ECM) использует заряженную полимерную диафрагму и полевой транзистор (JFET); он недорог и может звучать превосходно, но обычно это корпус с выводами для сквозного монтажа или с проводным креплением, который припаивается вручную или подключается отдельно, поскольку электретный элемент может быть поврежден при нагревании во время пайки оплавлением.

Аналоговый и цифровой выход

Аналоговый микрофон выдает небольшое напряжение, которое необходимо тщательно передавать на кодек, и он уязвим для помех на этом пути. Цифровой микрофон преобразует звук в биты внутри корпуса, поэтому его выход PDM или I2S гораздо более устойчив на расстоянии и невосприимчив к большинству помех на плате — ценой необходимости в тактовом генераторе и цифровой трассировке. Для многомикрофонных массивов и длинных внутренних дорожек цифровой вариант почти всегда предпочтительнее; для самых коротких и простых конструкций с одним микрофоном аналоговый вариант может быть более дешевым.

Чтение номеров из технической документации

Выбор технологии зависит от двух параметров. Соотношение сигнал/шум (SNR) , измеряемое в дБ(А), показывает, насколько тихий собственный уровень шума микрофона — микрофон с SNR 65 дБ(А) звучит заметно чище, чем микрофон с SNR 58 дБ(А) для удаленных или тихих источников. Чувствительность (в дБВ/Па для аналоговых источников, дБFS для цифровых) определяет уровень выходного сигнала и помогает согласовать усиление на последующих этапах обработки. Точка акустической перегрузки (AOP) важна в шумных условиях. Выбирайте SNR для четкости, чувствительность для уровня, а AOP для запаса по уровню.

3. Конструкция акустического порта: верхний, нижний и герметичный.

То, как звук физически достигает диафрагмы, — это та часть проектирования печатной платы микрофона, которую чаще всего недооценивают. Неправильное расположение порта может привести к тому, что даже высококачественный датчик будет звучать приглушенно, резонансно или шумно.

Верхний порт против нижнего порта

Микрофон с верхним расположением порта имеет входное отверстие для звука на верхней стороне корпуса, поэтому плата под ним является цельной, а отверстие находится внутри корпуса устройства. Микрофон с нижним расположением порта принимает звук через отверстие в основании, что означает, что печатная плата должна иметь соответствующее сквозное отверстие непосредственно под датчиком, выровненное по акустическому отверстию корпуса. Конструкции с нижним расположением порта распространены, поскольку они позволяют звуковому каналу беспрепятственно проходить через плату в корпус устройства, но при этом печатная плата становится структурной частью акустической системы.

Размеры и обработка звукового отверстия на печатной плате.

Звуковое отверстие обычно представляет собой небольшое просверленное отверстие диаметром 0.25–0.5 мм, защищенное от смещения припоя и выровненное в пределах заявленных производителем допусков. Вокруг него расположена контактная площадка с герметичным кольцом, благодаря чему паяльная паста образует воздухонепроницаемую прокладку между микрофоном и платой — если паяльная паста заполнит отверстие или произойдет утечка, передняя и задняя акустические камеры закоротят, и соотношение сигнал/шум резко упадет. Отверстие обычно остается без покрытия или покрывается контролируемым слоем металла в соответствии с посадочным местом, указанным производителем микрофона, чтобы избежать изменения его эффективного диаметра.

Защита порта при сборке

Поскольку отверстие должно оставаться открытым и чистым, для печатных плат микрофонов часто требуется процесс без очистки или защитная пленка во время промывки, а также бережное обращение, чтобы флюс, пыль или защитное покрытие никогда не попали в отверстие. Это решение принимается как в процессе сборки, так и при проектировании, и его следует согласовать с производителем до начала сборки.

4. Схема расположения компонентов, заземление и шумоизоляция для чистой микрофонной платы.

После того, как датчик и порт установлены, компоновка определяет, сколько шума достигает сигнала. Большинство преимуществ достигается с помощью нескольких строго регламентированных правил.

• Используйте короткие и прямые аналоговые микрофонные дорожки. к кодеку, подальше от импульсных стабилизаторов, тактовых генераторов и антенн.
• Обеспечьте тихий, непрерывный заземляющий контакт. под микрофоном и его компонентами смещения; избегайте разделения заземления под сигнальным трактом.
• Разъединить предложение На микрофоне установите рекомендованный производителем конденсатор рядом с выводом питания, чтобы исключить пульсации смещения.
• Передавайте цифровые тактовые сигналы и данные PDM/I2S в виде согласованной, защищенной группы.и держите эти часы подальше от любых аналоговых микрофонов аналогичной конструкции.
• Разместите микрофон вдали от источников тепла и механических воздействий. — Изгиб платы и усилие, прилагаемое к разъему, могут передаваться на датчик.
• В многомикрофонных массивахсогласовывать длины трасс и поддерживать одинаковую геометрию портов, чтобы формирование луча и подавление шума работали предсказуемо.

Когда компания Highleap проверяет конструкцию микрофона в рамках изготовления аудиоплаты , мы проверяем заземление под микрофоном, расположение развязки и — для компонентов с нижним портом — звуковое отверстие и герметичность на чертеже перед началом сборки. Выявление отсутствующего защитного канала или загрязненного маской порта на этом этапе ничего не стоит; обнаружение проблемы после первого образца, наполненного шипением, обходится гораздо дороже.

5. Распространенные ошибки при изготовлении печатных плат микрофонов и лучшие альтернативы.

Большинство проблем с печатными платами микрофонов предсказуемы и предотвратимы. Это те повторяющиеся проблемы, с которыми мы сталкиваемся в поступающих проектах.

• Забыли про звуковое отверстие на печатной плате микрофона с нижним портом. Плата изготовлена ​​из цельного куска металла, и деталь акустически изолирована — это ошибка, выявленная на уровне повторного вращения только после сборки.
• Загрязнение разъема припоем или паяльной пастой. Растяжение маски сужает отверстие, а паста может его заделать; и то, и другое снижает эффективность. Определите четкую зону, куда не следует заходить.
• Перепайка электретного элемента. Диафрагмы, изготовленные методом электрохимического осаждения (ECM), могут терять заряд при нагревании во время оплавления — используйте MEMS-компоненты для поверхностного монтажа (SMT) или подключите электрет отдельно.
• Прокладка длинного аналогового микрофонного кабеля рядом с коммутатором. В результате слышен писк; переключитесь на цифровой микрофон или перенаправьте сигнал и экранируйте.
• Разводка грунта под микрофоном. Разрыв в эталонном образце вызывает шум; необходимо обеспечить непрерывный поток жидкости.
• Интенсивная промывка нечистой акустической детали. Жидкость и остатки в порту ухудшают соотношение сигнал/шум; необходимо заранее согласовать процесс очистки.

Более разумный подход — зафиксировать три момента до начала проектирования: технологию датчиков (MEMS для поверхностного монтажа, ECM только при ручной заделке выводов), формат выходного сигнала (цифровой для массивов и длинных трасс) и тип порта (который определяет, нужен ли на печатной плате звукоизолирующий канал и герметизация). Определите эти параметры, передайте производителю информацию о размерах и акустических требованиях поставщика микрофонов, и остальная часть проекта будет реализована без проблем.

6. Где выигрывается или проигрывается установка микрофонных досок: сверление, маскировка и герметизация.

Микрофонная плата уникальна тем, что её важнейшая особенность — акустический порт — создаётся в процессе изготовления и защищается во время сборки, поэтому эти два этапа нельзя рассматривать отдельно. Изготовитель, который сверлит отверстие для нижнего порта, также должен обеспечить герметичность защитной маски вокруг него, а сборщик, который устанавливает MEMS-компонент, должен создать воздухонепроницаемое паяльное уплотнение и предотвратить попадание флюса и припоя в полость. Если разделить эти задачи между двумя поставщиками, то именно в этом месте незаметно исчезает соотношение сигнал/шум.

Компания Highleap выполняет сверление и маскирование звукового отверстия, а также сборку компонентов для поверхностного монтажа с малым шагом выводов на той же линии, используя процесс без очистки или с защитой портов, а также те же методы снижения уровня шума, которые мы применяем при сборке аудиоусилителей . Отправьте поставщику микрофонов информацию о посадочном месте и акустических требованиях, и мы подтвердим наличие порта, допустимый зазор и герметичность перед сборкой первой платы.

Получите ценовое предложение на печатную плату для вашего микрофона.

7. Часто задаваемые вопросы

Нужно ли делать отверстие в печатной плате микрофона?

Только для микрофонов с нижним портом, где звук поступает через основание детали. В таких микрофонах требуется небольшое сквозное отверстие в печатной плате непосредственно под датчиком, выровненное по отверстию корпуса и окруженное герметичным контактным кольцом. Микрофоны с верхним портом принимают звук через корпус, поэтому плата под ними остается неподвижной.

MEMS или электрет — что лучше для моего продукта?

MEMS-технология является стандартом практически для всех новых разработок: она подходит для поверхностного монтажа, совместима с пайкой оплавлением, отличается стабильностью и компактностью. Электретные конденсаторные микрофоны остаются привлекательными, когда стоимость имеет решающее значение, а вывод компонента можно выполнить вручную, а не пайкой оплавлением, поскольку высокая температура при пайке оплавлением может повредить электретный элемент.

В чём разница между аналоговыми и цифровыми (PDM/I2S) микрофонами?

Аналоговый микрофон выдает небольшое напряжение, чувствительное к шуму на плате вдоль дорожки. Цифровой микрофон преобразует звук в битовый поток PDM или I2S внутри корпуса, что делает его гораздо более устойчивым к помехам на расстоянии и лучшим выбором для микрофонных массивов и длинных внутренних трасс.

Почему звук моего микрофона приглушен или шумный?

Наиболее распространенными причинами являются заблокированный, неправильно подобранный по размеру или плохо герметизированный акустический порт, а также электрические помехи, проникающие в аналоговый сигнал. На микрофонной плате проблемы со звуком обычно связаны с герметизацией порта, опорным заземлением или развязкой питания, а не с самим датчиком.

Какое соотношение сигнал/шум следует искать в MEMS-микрофоне?

Для четкой речи и общего использования оптимальным является уровень шума 64–65 дБ(А) и выше; в премиальных и дальнепольных конструкциях используются компоненты с уровнем шума выше 70 дБ(А). Более высокое отношение сигнал/шум означает более низкий уровень собственного шума, что наиболее важно для тихих или удаленных источников.

Можно ли мыть печатные платы микрофонов после сборки?

Да, это возможно, но акустический порт необходимо защитить. Во многих платах для микрофонов используется процесс очистки без мытья или защитная пленка, поэтому жидкость и остатки никогда не попадают в порт. Способ очистки следует согласовать с вашим сборщиком до начала сборки.